CN101971551B - 用于多个副载波联合调制ofdm发射机的灵活结构 - Google Patents

Abstract

一种正交频分复用(OFDM)多波段发射机(200)，其适于执行多个副载波联合调制(MSJM)预编码。该发射机包括：比特交织器(220)，用于独立地交织比特块，以及将每一个经过交织的比特块中的比特分组成比特组；符号映射单元(230)，用于根据MSJM方案将每一个比特组映射到符号；以及符号交织器(240)，用于将这些符号分配给多个连续OFDM符号的数据副载波。

Description

用于多个副载波联合调制OFDM发射机的灵活结构

本申请要求于2008年3月11日提交的美国临时申请第61/035,395号以及于2009年3月4日提交的美国临时申请第61/157,234号的利益。

本发明一般涉及正交频分复用(OFDM)通信系统，并且尤其涉及由这样的系统执行的预编码(precoding)技术。

WiMedia标准定义以正交频分复用(OFDM)传输为基础的媒体访问控制(MAC)层和物理(PHY)层的规范。WiMedia标准能利用低的功耗以高达480Mbps的速率进行短距离多媒体文件传送。该标准在UWB频谱中操作于3.1GHz与10.6GHz之间的频带中。

图1显示依照WiMedia规范操作的多波段OFDM(MB-OFDM)发射机100的框图。该发射机100包括信道编码器110、比特交织器120、符号映射单元130以及OFDM调制器140。通常，该发射机100实施比特交织编码调制(BICM)技术来克服UWB信道的频率选择性衰落。以此为目标，该信道编码器110对输入信息比特进行编码，这些输入信息比特稍后由比特交织器120在比特级上进行交织，并且随后由符号映射单元130映射到符号。通常，该比特交织器120执行三个步骤：1)OFDM符号间交织，其中连续的比特被分发到可以在不同的子波段中发射的不同的OFDM符号；2)符号内音调交织，其中在OFDM符号的数据副载波上序列改变(permute)比特，以利用频率分集；以及3)符号内循环移位交织，其中比特在连续的OFDM符号中被循环移位，以便在只使用一个子波段时利用更多的频率分集。

通过由OFDM调制器140执行的逆的快速傅立叶变换(IFFT)操作，OFDM符号被生成并通过发射天线150进行发射。这些OFDM符号或在一个子波段(FFI模式)中发射，或通过跳频在多个子波段中发射，这利用时间频率码(TFC)来控制。TFC指定在其中应该发射OFDM符号的一个或多个子波段。

当前的以WiMedia标准为基础的系统的缺陷在于：WiMedia标准的最高数据速率不能满足未来的无线多媒体应用，例如HDTV无线连接性。正在努力将数据速率增加至1Gpbs以及更高。为此，已设想将在未来的高数据速率无线系统中使用弱信道(或非信道)编码以及更高级(阶)符号星座技术。例如，如果将3/4卷积码和16QAM调制一起使用的话，则WiMedia PHY传送速率能够被增至960Mbps。但是，需要发射的OFDM符号的预编码，以确保良好的性能。

需要预编码技术来避免由于OFDM传输的特性而导致的频率分集增益的损失。通常，预编码技术基于将发射符号联合调制到多个副载波上。这甚至在这些副载波之中的一些副载波处于深度衰落时也允许接收机恢复发射符号。预编码技术的示例可以在由Z.Wang、X.Ma和G.B.Giannakis公开于2004年3月IEEE Transactions onCommunications第52卷第380-394页上的“OFDM or single-carrierblock transmission？”以及由Z.Wang和G.B.Giannakis公开于2001年3月20-23日Third IEEE Signal Processing Workshop on SignalProcessing Advances in Wireless Communications，Taoyuan，Taiwan的“Linearly Precoded or Coded OFDM against Wireless Channel Fades”中找到。

预编码通常由预编码器电路来执行，其中该预编码器电路耦合到发射机的OFDM调制器140的输入端。良好设计的复合预编码器能够有效地利用由多路(径)信道提供的频率分集。但是，实施复合预编码器增加发射机和接收机的复杂度，因为其需要更复杂的解码和符号映射技术。例如，将双载波调制(DCM)用作预编码器需要利用16QAM符号星座来替换QPSK符号星座。为了在高数据速率模式中保证完全的频率分集(即，分集数量级2)，需求更高的星座(例如，256QAM)。

一种更有效的预编码技术是多个副载波联合调制(MSJM)(multiple-subcarrier-joint-modulation)预编码。MSJM预编码允许在利用最小的星座大小的同时将多个符号联合调制到多个副载波上。因此，实施这样的技术不需要设计复杂的且昂贵的预编码器。

无论选择的预编码技术如何，需要设计将能够支持所选技术的新的OFDM发射机。为了满足新的发射机的短期投向市场、低成本和后向兼容性的目标，新的OFDM发射机的重新设计可能是妨碍因素。

因此，提供灵活的基于多波段OFDM的发射机结构来支持先进的预编码技术将是有益的。

本发明的某些实施例包括适于执行多个副载波联合调制(MSJM)预编码的正交频分复用(OFDM)多波段发射机。该发射机包括：比特交织器，用于独立地交织比特块，以及将每一个交织比特块中的比特分组成比特组；符号映射单元，用于根据MSJM方案将每一个比特组映射到符号；以及符号交织器，用于将这些符号分配给多个连续OFDM符号的数据副载波。

本发明的某些实施例包括用于在多波段频分复用(OFDM)发射机中执行多个副载波联合调制(MSJM)预编码的方法。该方法包括：将编码的信息比特安排到比特块中；独立地交织每一个比特块；将每一个比特块的交织比特分组成比特组；将每一个比特组映射到符号，其中根据联合调制符号的数量来确定符号的数量；以及将这些符号分配给多个连续OFDM符号的数据副载波。

本发明的某些实施例包括计算机可读媒体，在其上已存储用于在多波段正交频分复用(OFDM)发射机中执行多个副载波联合调制(MSJM)预编码的计算机可执行代码。该计算机可执行代码使得计算机执行下列处理：将编码的信息比特安排到比特块中；独立地交织每一个比特块；将每一个比特块的已交织比特分组成比特组；将每一个比特组映射到符号，其中根据联合调制符号的数量来确定符号的数量；以及将这些符号分配给多个连续OFDM符号的数据副载波。

被看作本发明的主题在说明书的完结处在权利要求中特别地指出并且清楚地要求保护。从以下结合附图进行的详细描述中将清楚了解本发明的前述以及其他的特征和优点。

图1是多波段OFDM发射机的框图；

图2是根据本发明的某些实施例实施的多波段OFDM发射机的框图；

图3是显示比特交织器参数的示例值的表格；

图4是说明符号的交织的图；

图5是显示用于不同TFC码的示例符号序列的表格；和

图6是描述根据本发明的实施例实现的用于在多波段OFDM发射机中实施MSJM预编码的示例方法的流程图。

重要的是注意，本发明所公开的实施例仅仅是本文中的创新教导的众多有利用途的示例。一般而言，在本申请的说明书中进行的陈述不一定限制任何不同的所请求保护的发明。此外，某些陈述可以应用于某些创新特征，而不适用于其他特征。一般来说，除非另外指明，否则在不丧失一般性的情况下，单个部件可以是多个，并且反之亦然。在附图中，相同的数字在若干图中指示相同的部分。

图2显示根据本发明的某些实施例实施的多波段OFDM发射机200的非限制性且示例性框图。该发射机200基于标准的多波段OFDM发射机，并且适于执行如上所述的MSJM预编码。该发射机200可以支持1Gbps乃至更高的数据速率，并且根据WiMedia 1.0、1.5和2.0的规范、WiMax以及IEEE 802.11n标准来操作。

该发射机200包括信道编码器210、比特交织器220、符号映射单元230、符号交织器240以及OFDM调制器250。该信道编码器210和OFDM调制器250具有与在多波段OFDM发射机中使用的标准的信道编码器(例如，编码器110)和OFDM调制器(例如，调制器140)相同的功能。为了在将标准的多波段OFDM发射机中的功能块的重复使用最大化的同时支持MSJM预编码，给该设计添加符号交织器240，并且重新配置比特交织器220和符号映射单元230的某些参数。

特别地，根据本发明的原理，输入信息比特由信道编码器210进行编码。此后，经过编码的比特被划分成比特块，其中每一个比特块包括‘1’个比特。这些比特块由比特交织器220通过上述的三个步骤独立地进行交织。但是，为了支持高数据速率，诸如TDS因数、码比特/OFDM符号(N_CBPS)、音调交织器块大小(NT_ine)、循环交织器移位(N_cyc)之类的比特交织器参数被设置成不同的值。在图3中提供了显示用于支持640Mbps、800Mbps和960Mbps数据速率的这样的参数的示例值的表格。

当完成交织操作时，比特块中的‘1’个已交织比特被划分到数量为‘p’的比特组中，其中每一个比特组包括‘k’个比特。不同的分组方案可以用于这个目的。下述的是用于这些分组方案的少量的非限制性示例。在这些示例中，比特组的数量‘p’等于200，并且每一个组中比特的数量‘k’是12，第i个比特组被表示为G(i)，而b(j)是比特块中的第j个比特。一种可能的分组方案是：

G(i)＝[b(i*12)，b(i*12+1)，b(i*12+2)，...，b(i*12+11)]，i＝0，1，...，199

另一种可能的分组方案是：

G(i)＝[b(i*4)，b(i*4+1)，b(i*4+2)，b(i*4+3)，b(400+i*4)，b(400+i*4+1)，b(400+i*4+2)，b(400+i*4+3)，b(800+i*4+0)，b(800+i*4+1)，b(800+i*4+2)，b(800+i*4+3)]，i＝0，1，...，99

和

G(i)＝[b(i*4+800)，b(i*4+801)，b(i*4+802)，b(i*4+803)，b(1200+i*4)，b(1201+i*4)，b(1202+i*4)，b(1203+i*4)，b(1600+i*4)，b(1601+i*4)，b(1602+i*4)，b(1603+i*4)]，i＝100，101，...，199

第三种分组方案包括：

G(i)＝[b(i*4)，b(i*4+1)，b(i*4+2)，b(i*4+3)，b(800+i*4)，b(800+i*4+1)，b(800+i*4+2)，b(800+i*4+3)，b(1600+i*4)，b(1600+i*4+1)，b(1600+i*4+2)，b(1600+i*4+3)]，i＝0，1，...，199

应注意：不同的分组方案可以实现不同的性能。例如，第一示例的分组操作是简单的，但是它与如上所示的方案相比可能具有更差的性能。在本发明的优选实施例中，比特交织器220实施第三种分组方案来实现良好的性能。

符号映射单元230使用MSJM方案来将每一个比特组G(i)映射到数量m个符号。在优选实施例中，使用查找表来执行该映射。当使用查找表时，比特组的值被用作表格索引来检索这些符号的值。因此，比特组到符号的映射包括单个查找操作。应注意：发射机200和接收机被预先配置有该查找表，用于执行映射和去映射(demapping)操作。符号映射单元230的输出包括数量m*p个符号(或数量p个m符号元组[x(i，0)，...，x(i，m-1)])。

符号交织器240将m*p个符号分配给‘s’个连续OFDM符号的数量‘n’个数据副载波。数量‘s’是等于m*p/s的整数。符号交织器230将同一个m符号元组中的‘m’个符号分发给不同OFDM符号的不同副载波。这在图4中进一步例证，其中三个OFDM符号410、420和430运送元组[x(1)，x(2)，x(3)]中的符号。作为示例，符号x(1)由OFDM符号410中的副载波330运送，符号x(2)由OFDM符号420中的副载波66运送，而符号x(3)由OFDM符号430中的副载波99运送。在TFI模式中，OFDM符号可以在不同的子波段上进行发射，由此将能够实现的分集增益最大化。

在优选实施例中，使用以n为模的运算(n-modulo operation)来执行符号交织(‘n’是OFDM符号中的数据副载波的数量)，并且根据TFC码来确定发射这些符号的顺序。下述的是描述优选的符号交织方案的非限制性示例。在这个示例中，元组中符号的数量‘m’是3，并且数据副载波的数量‘n’是100，比特组的数量‘p’是200，因此连续的OFDM符号的数量‘s’是6，即，3*200/100。在第v个OFDM符号的第q个副载波上发射的符号被表示为d_v(q)，其中v＝0，1，2，3，4，5，并且q＝0，1，...，99。

d₀(i)＝x(i，0)

$d_1(i\⊕k_1)=x(i,1)$ i＝0，1，2，...，99

$d_2(i\⊕k_2)=x(i,2)$

以及

d₃(i-100)＝x(i，0)

$d_4((i-100)\⊕k_1)=x(i,1)$ i＝100，1，2，...，199

$d_5((i-100)\⊕k_2)=x(i,2)$

其中运算

表示模100加法运算，并且k₁和k₂是两个正整数，其中0＜k₁，k₂＜100，并且k1≠k2。例如，可以使用k1＝33和k2＝66。意识到：上面的交织方法将3符号元组中的符号x(i，0)、x(i，1)、x(1，2)分配给不同OFDM符号的不同副载波(具有33个副载波的间隔)。这可以保证良好的分集增益。应该注意，k₁和k₂的不同值可以实现不同的性能。此外，d_v(q)的传输顺序基于由发射机200使用的TFC码。在图5中提供了显示用于不同TFC码的d_v(q)的传输顺序的表格。

应该注意，本文中描述的发射机200的结构被设计成支持MSJM。但是，本领域的技术人员能够使得本公开适于借助于该发射机200来支持其他的预编码技术。

图6显示了描述根据本发明的实施例实现的用于在多波段OFDM发射机中实施MSJM预编码的方法的非限制性流程图600。在S610，将经过编码的信息比特安排到比特块中，其中每一个比特块包含数量‘1’个比特。在优选实施例中，参数‘1’等于2400个比特。在S620，独立地交织每一个比特块，以输出数量‘1’个交织比特。在S630，将这些交织比特分组成数量‘p’个比特组，其中每一个比特组包括‘k’个比特。在优选实施例中，‘p’等于200个组，并且‘k’的值是12比特。在S640，将每一个比特组映射成数量‘m’个符号。该映射使用查找表来执行，其中比特组的比特值被用作表格索引来检索符号值。在优选实施例中，符号的数量‘m’是3，因此该映射处理产生3*200＝600个符号。在S650，根据预定义的TFC码，将这些符号分配给‘s’个连续OFDM符号的数量‘n’个数据副载波。根据上文中详细描述的符号交织方案来执行该分配。在优选实施例中，‘n’的值是100，并且‘s’等于6。当使用TFC模式时，在不同的子波段中发射这些OFDM符号。在FFI模式中，在单个子波段中发射这些符号。

以上详细的描述阐述了本发明能够采用的众多形式中的少数形式。意图是：以上详细的描述应被理解为本发明能够采用的选定形式的例证，而不是对本发明的定义的限制。只有包括所有等价物在内的权利要求才被打算来定义本发明的范围。

最为优选地，本发明的原理被实施为硬件、固件和软件的组合。此外，该软件优选地被实施为有形地体现在程序存储单元或计算机可读媒体上的应用程序。该应用程序可以被上载到包含任何适当结构的机器，并且由该机器来执行。优选地，该机器在具有硬件、例如一个或多个中央处理器(“CPU”)、存储器以及输入/输出接口的计算机平台上进行实施。该计算机平台也可以包括操作系统和微指令代码。本文描述的各种处理和功能可以是微指令代码的一部分或应用程序的一部分或其任何组合，无论是否明确地显示了这样的计算机或处理器，其都可以由CPU来执行。此外，各种其他的外围单元可以连接到该计算机平台，诸如附加的数据存储单元和打印单元。

Claims (11)

1.一种适于执行多个副载波联合调制MSJM预编码的正交频分复用OFDM多波段发射机(200)，包括：

比特交织器(220)，用于独立地交织每一个比特块，以及将每一个交织的比特块中的比特分组成比特组；

符号映射单元(230)，用于根据MSJM方案将每一个比特组映射到符号，其中所述符号的数量根据联合调制符号的数量来确定；和

符号交织器(240)，用于将所述符号分配给多个连续OFDM符号的数据副载波，

其中根据时间频率码TFC来确定多个OFDM符号的传输顺序。

2.如权利要求1所述的发射机，还包括：

信道编码器(210)，用于编码输入信息比特；和

OFDM调制器(250)，用于将多个连续OFDM符号调制成时域信号。

3.如权利要求2所述的发射机，其中使用查找表将比特组映射到符号。

4.如权利要求3所述的发射机，其中所述查找表的索引是所述比特组的值。

5.如权利要求1所述的发射机，其中使用以n为模的运算将所述符号分配给数据副载波，其中n是OFDM符号中的数据副载波的数量。

6.如权利要求1所述的发射机，其中在不同的子波段中发射OFDM符号。

7.一种用于在正交频分复用OFDM多波段发射机(200)中执行多个副载波联合调制MSJM预编码的方法(600)，包括：

将编码的信息比特安排到比特块中(S610)；

独立地交织每一个比特块(S620)；

将每一个交织的比特块中的比特分组成比特组(S630)；

根据MSJM方案将每一个比特组映射到符号，其中所述符号的数量根据联合调制符号的数量来确定(S640)；以及

将所述符号分配给多个连续OFDM符号的数据副载波(S650)，

其中根据时间频率码TFC来确定多个OFDM符号的传输顺序。

8.如权利要求7所述的方法，其中使用查找表来执行将比特组映射到符号。

9.如权利要求8所述的方法，其中所述查找表的索引是所述比特组的值。

10.如权利要求7所述的方法，其中使用以n为模的运算来执行将所述符号分配给数据副载波，其中n是OFDM符号中的数据副载波的数量。

11.如权利要求7所述的方法，其中在不同的子波段中发射多个OFDM符号。

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